熱軋H型鋼組合梁橋結構選型研究

杜迎東

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

中小跨徑橋梁是我國道路交通網的重要組成部分，其在我國橋梁建設中有著舉足輕重的作用[1-2]。當前我國大跨徑橋梁已經開始廣泛采用鋼結構形式，但中小跨徑橋梁對于鋼結構的應用還處于剛剛起步階段。

在中小跨徑橋梁中推廣應用鋼結構，能夠進一步提高我國橋梁品質，使得中小跨徑橋梁設計更加標準化，是我國綠色公路的建設理念，也能夠推動我國橋梁產業邁向工業化發展。發展中小跨徑橋梁的關鍵在于材料和結構形式的選擇，需我們對于以往的橋梁建設以及養護經驗進行細致的分析研究。

1 中小跨徑橋梁結構型式統計分析

中小跨徑鋼橋按橋型進行統計，使用率最高的橋型為簡支多片主梁結構，其中鋼簡支多主梁、鋼連續多主梁、鋼簡支少主梁及鋼連續少主梁分別占中小跨徑鋼橋總座數的53.1%、29.1%、11.9%、5.9%[3-6]，見表1。通過分析數據可以看出，中小跨徑鋼橋結構形式應以構造簡單、受力明確的多主梁的鋼梁橋為主。

表1 中小跨徑鋼橋統計表

2 工程實例

借鑒美國中小跨徑橋梁橋型及材料應用情況，結合現階段我國橋梁發展現狀，擬對六官營子中橋進行改建，采用熱軋H型鋼組合梁結構。熱軋H型鋼各部位結構尺寸已考慮到局部穩定問題，不會發生局部屈曲，因此不需設置縱向、豎向加勁肋，無需考慮焊接殘余應力影響，具有更穩定的力學性能。

六官營子中橋位于朝陽市喀左縣境內凌源-興城線(S225)K45+842處，建成于1986年。跨徑布置為5×13m，交角為90°，全橋平面線形為直線段，橫橋向13m。設計荷載：公路-Ⅰ級，本橋設計三方案比選。

2.1 簡支結構熱軋H型鋼組合梁(7片梁)

本橋采用預制簡支結構熱軋H型鋼組合梁方案。橫向設置7片H708×304×16×28主梁(梁高708mm，腹板厚16mm)，主梁間距為1900mm。橋面板采用C40混凝土，橋面板厚度220mm。跨間設置一道橫梁。端橫梁厚度為400mm，跨間橫梁300mm。

2.2 簡支結構熱軋H型鋼組合梁(6片梁)

本方案采用預制結構連續熱軋型鋼組合梁方案。橫向設置6片H912×302×18×34主梁(梁高912mm，腹板厚18mm)，主梁間距為2200mm。橋面板采用C40混凝土，橋面板厚度220mm。跨間設置一道橫梁。端橫梁厚度為400mm，跨間橫梁300mm,見圖1。

圖1 典型橫斷面

2.3 連續熱軋H型鋼組合梁(5片梁)

本方案采用現澆結構連續熱軋型鋼組合梁方案。橫向設置5片H808×302×16×30主梁(梁高808mm，腹板厚16mm)，主梁間距為2600mm。橋面板采用C40混凝土，厚度220mm。每跨跨間設置兩道鋼橫梁。

3 結構計算

采用橋梁通用分析軟件Midas Civil，計算模型選用梁單元，其中橋面板與鋼梁采用施工階段聯合截面進行計算，中間無臨時支撐，見圖2。主要荷載組合為：

(1)恒載+設計車道偏載+混凝土收縮徐變+整體升溫+溫度梯度。

(2)恒載+設計車道偏載+混凝土收縮徐變+整體降溫+溫度梯度。

圖2 簡支結構熱軋H型鋼組合梁(6片梁)模型

在上述荷載組合情況下，分別對3種不同結構形式在最不利荷載組合作用下，對上、下翼緣板的應力和活載撓度進行計算見式(1)、式(2)，計算結果見表2。

(1)

(2)

式中：σ為正應力；Weff為有效截面模量；M為計算截面彎矩設計值；L為跨徑長度；B為抗彎剛度。

表2 組合梁應力計算表

由表2可知：在偏載作用下，組合梁的上下翼緣應力均小于270MPa，活載撓度小于L/500(26mm)，均滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)要求限制，通過計算以上三種方案均滿足設計要求。

通過以上結果可見三種方案下翼緣與上翼緣應力比值依次為1.31、1.30、1.25，說明熱軋H型鋼的上翼緣板的富余度較大，頂板設計厚度偏于保守。

4 實用性

該橋跨越地方路橋下凈空必須滿足相應要求，在滿足結構強度基礎上盡量選擇建筑高度小的結構形式，3種不同結構形式的建筑高度見表3。

表3 建筑高度對比表

由表3可知，簡支結構熱軋H型鋼組合梁(7片梁)建筑高度最小(928mm)。

5 經濟指標分析

從用鋼量角度對3種方案進行對比，見表4。

表4 經濟指標對比表

從表4中可以看出，13m跨徑熱軋H型鋼組合梁3種結構形式的用鋼量指標，每平米用鋼量由低到高依次為連續熱軋H型鋼組合梁(5片梁)、簡支結構熱軋H型鋼組合梁(7片梁)、簡支結構熱軋H型鋼組合梁(6片梁)。

由于型鋼組合梁橋橋面板厚度有限，連續熱軋H型鋼組合梁結構形式在墩頂負彎矩區很難布置預應力鋼筋，從而出現連續墩頂負彎矩區混凝土橋面板開裂的問題，給后期養護增加很大難度；如墩頂橋面板采用高性能混凝土，大大增加了施工成本，因此連續熱軋H型鋼組合梁結構形式不建議應用到13m跨徑橋梁中。

綜上所述，通過受力性能、實用性和經濟指標綜合對比分析，建議13m跨徑鋼結構橋梁采用簡支體系橫橋向7片熱軋H型鋼(H708×304×16×28)結構性最為經濟適用。

6 結論

通過上面分析，針對跨徑為13m的熱軋H型鋼組合梁橋結構選型三種方案綜合比選結論如下：

(1)連續型熱軋H型鋼組合梁中支點負彎矩區配筋率非常高，耐久性沒簡支型鋼組合梁好；簡支型熱軋H型鋼組合梁質量和工期更容易保證，同時減少施工期間社會影響。

(2)通過受力分析計算可知熱軋H型鋼頂板寬度最大為300mm左右，翼板厚度有限，翼緣板頂板和底板等厚，從受力角度熱軋H型鋼尺寸不太合理,導致組合梁中頂板不能充分發揮作用。

(3)經過綜合比較，簡支熱軋H型鋼具有明顯的綜合優勢，作為13m跨徑鋼橋設計的推薦方案。